Fot. AVL Diatest, Bosch, DEKRA, MAHA, Pennexxon.com

Mimo bezdyskusyjnych zalet dokładniejszej filtracji spalin nie brakuje wciąż opinii, iż eksploatacja służących do tego urządzeń jest niebezpieczna i z reguły wpływa negatywnie na osiągi tak wyposażonych silników.

Wśród krytycznych poglądów na temat celowości stosowania filtrów cząstek stałych znaleźć można oceny uzasadnione, lecz na szczęście już nieaktualne. Owszem, zdarzały się nawet pożary w samochodach spowodowane przegrzaniem tych podzespołów i z tej przyczyny niektóre firmy organizowały specjalne akcje serwisowe, jak na przykład w latach 2005–2008: Volvo, Ford, Suzuki i Jaguar. Ograniczanie osiągów silnika miało rzeczywiście miejsce w pierwszych modelach samochodów z takim wyposażeniem, ponieważ filtry cząstek stałych były wówczas dodawane do układów wylotowych, w których pierwotnie nie przewidywano ich obecności. Gdy masa zatrzymanych cząstek stawała się bliska dopuszczalnej, opory przepływu spalin rosły nadmiernie, co w konsekwencji powodowało zmniejszenie maksymalnych wartości osiąganego momentu obrotowego i mocy.

Zobacz także:

Filtry cząstek stałych (cz. I)

Filtry cząstek stałych (cz. II)

Wady pozorne i rzeczywiste

Obecne układy wylotowe są już projektowane wraz z filtrami cząstek stałych, tak, aby przeciwciśnienie spalin dla całego układu wylotowego nie przekraczało dopuszczalnej wartości. Oczywiście nadal przy niedostatecznej regeneracji masa zgromadzonych cząstek stałych nadmiernie rośnie, ograniczając osiągi silnika, ale jest to sytuacja awaryjna.

To fakt, iż filtry cząstek stałych nie są tak skuteczne, jak deklarują ich producenci, według których wersje pełnoprzepływowe zatrzymują od 90 do nawet 99% cząstek stałych zawartych w spalinach, co jest nazywane zdolnością do separacji zanieczyszczeń przez filtr. Spotyka się zarzuty, że jej rzeczywisty poziom wynosi tylko 60%. W niektórych publikacjach dla udokumentowania tej tezy załączano wykres zdolności do separacji cząstek stałych, w zależności od czasu pracy filtra. Rzeczywiście wartość ta dla nowego filtra może wynosić nawet 60%, ale... po krótkiej pracy rośnie do wspomnianych 90–99%.

Nie ma w tym niczego dziwnego, gdyż wszelkie filtry są najskuteczniejsze wówczas, gdy trochę się zanieczyszczą. Z kolei filtry już zbyt zanieczyszczone zwiększają opory przepływu filtrowanej substancji, więc wówczas trzeba je wymieniać. Inną możliwą przyczyną takich nietrafnych zarzutów bywa pomylenie zdolności separacji filtra o częściowym przepływie z wartością tego samego parametru dla filtra pełnoprzepływowego.

Za kolejny mankament samochodów z filtracją spalin uważa się czasem konieczność stosowania drogich olejów niskopopiołowych. Rzeczywiście, dla uzyskania możliwie długiej eksploatacji filtrów cząstek stałych olej silnikowy powinien po nieuchronnym częściowym spalaniu pozostawiać minimalną ilość popiołów. To ważny wymóg, gdyż popioły pozostające w filtrach są nieusuwalne w trybie regeneracji, a więc z czasem ograniczają możliwości zatrzymywania cząstek stałych i sprawiają, że regeneracje aktywne muszą być częstsze. Oleje tej grupy zawierają również mało związków fosforu, siarki oraz wapnia, choć są to składniki pakietu uszlachetniającego, chroniące olej przed utlenianiem w wysokich temperaturach, a współpracujące części przed nadmiernym zużyciem. Niestety składniki te powodują równocześnie starzenie się filtra cząstek stałych oraz utleniającego konwertera katalitycznego. Oleje niskopopiołowe są też rzeczywiście droższe.

Sugeruję zatem dla złagodzenia powyższych problemów używać oleju silnikowego rekomendowanego w instrukcji obsługi samochodu lub mającego dopuszczenie jego producenta, gdyż to on preferuje optymalne właściwości środka smarnego. Obniżkę kosztów w tym zakresie można uzyskać, wymieniając olej w serwisach sprzedających go z beczek; sprzedawany w opakowaniach detalicznych kosztuje dwa lub nawet więcej razy drożej. Wiem też z własnego doświadczenia, iż serwisy godzą się przy wymianie sprzedawać o litr więcej, na dolewki. Oczywiście serwis musi być solidny, czyli dostarczać rzeczywiście olej zamawiany i opłacony przez klienta.

Zagrożenie, jakim jest degradacja oleju silnikowego, wiąże się z faktem, iż podczas regeneracji aktywnej filtra ostatnia porcja paliwa wtryskiwana jako tzw. powtrysk może spłynąć do miski olejowej. Jeśli regeneracje aktywne są wielokrotnie przerywane i powtarzane, to w oleju silnikowym może zgromadzić się nadmierna ilość oleju napędowego. W efekcie lepkość oleju silnikowego początkowo maleje, lecz z czasem może ponownie rosnąć, gdyż lekkie frakcje oleju napędowego parują, pozostałe jego składniki reagują ze składnikami oleju silnikowego.

Emisje nielimitowane

Niektórzy naukowcy podnoszą zarzuty, iż filtr cząstek stałych sprzyja powstawaniu i emisji niekontrolowanych (nieobjętych normami), a silnie trujących związków, takich jak np. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne czy benzopiren. Jest to problem znany również w technice katalitycznego oczyszczania spalin. Z jednej strony katalizator umożliwia usunięcie np. 90% jednego składnika szkodliwego, ale "przy okazji" produkuje trochę innego, wcześniej w spalinach nie występującego lub obecnego w znacznie mniejszych ilościach. Dlatego przy wprowadzaniu filtrów cząstek stałych szef działu konstrukcyjnego firmy Opel stwierdził, że powinny być w nich montowane dodatkowe konwertery katalityczne.

Problem nielimitowanych emisji trzeba traktować ostrożnie. Zjawisko to rzeczywiście istnieje. Dotyczy ono substancji, które przeważnie są truciznami. Niektóre z nich są wyczuwalne już przy bardzo małych, jeszcze nieszkodliwych stężeniach, a inne odwrotnie. Na przykład siarkowodór H2S jest silnie trujący, lecz już przy bardzo niskich stężeniach ma wyczuwalny zapach zepsutych jaj. Tlenek węgla CO jest natomiast bezwonny, choć również silnie trujący.

Konstruktorzy konwerterów katalitycznych i filtrów cząstek stałych starają się ten problem ograniczyć. W tym celu zmieniono skład olejów napędowego i silnikowego, np. zmniejszając w nich zawartość siarki, co szkodliwość spalin zmniejsza, lecz całkowicie jej nie eliminuje. Liczy się jednak bilans pozytywów i negatywów, który w przypadku filtrów cząstek stałych wypada korzystnie.

Jeszcze uwaga dotycząca wiarygodności badań poświęconych tym problemom. Ważne jest, kto je wykonał i kiedy, w jakim laboratorium oraz z wykorzystaniem jakich urządzeń. Obecnie bowiem opracowania, np. z roku 2006 lub jeszcze wcześniejsze, to już historia, co trzeba uwzględniać przy ich ocenie. Przyczyną wielu nieporozumień bywają też pojedyncze zdania wyrwane z pełnego kontekstu wyników badań i cytowane w Internecie bez żadnej krytycznej refleksji.

Filtry cząstek stałych a tuning silników

Modyfikacje mające na celu podnoszenie momentu obrotowego i mocy silnika bazują głównie na zwiększaniu dawek paliwa i kąta wyprzedzenia jego wtrysku. Zmiana organizacji procesu spalania w silnikach ZS jest jednak trudnym zagadnieniem, ponieważ tunerzy nie mają żadnych informacji o rzeczywistych efektach swych ingerencji w sterowanie układu zasilania paliwem.

W następstwie tuningu z reguły rośnie emisja cząstek stałych, co skraca przebiegi między regeneracjami aktywnymi. Rośnie również emisja węglowodorów, która podczas regeneracji aktywnej może spowodować przegrzanie filtra cząstek stałych i jego zniszczenie przedstawione na ostatniej ilustracji w poprzedniej części tego artykułu. Wzrost temperatury i masy spalin dostarczanych przez tuningowany silnik zagraża również turbosprężarce.

Problemy diagnostyczne

Uważna analiza załączonego wykresu (rys. 1) pozwala stwierdzić, iż zadymienie spalin silnika ZS z filtrem cząstek stałych jest znacznie niższe, niż przewiduje obowiązująca norma. Na skutek tego dymomierze tzw. I generacji, które są obecnie w powszechnym użyciu, nie dają możliwości zarówno oceny sprawności filtra cząstek stałych, jak i stwierdzenia jego braku w układzie wylotowym. Dymomierze I generacji nie rejestrują bowiem tak niskich zawartości cząstek stałych, a ściślej – drobinek węgla z ich rdzeni.

Rys.1. Porównanie zadymienia spalin samochodu BMW 320d (model E46, 2002) w teście swobodnego przyspieszania silnika przy wymontowanym (A) i zamontowanym (B) filtrze cząstek stałych (wartość dopuszczalna zadymienia spalin k = 1,5 m^-1 dla silników ZS)

Pomiar zadymienia spalin jest pośrednią metodą mierzenia emisji cząstek stałych, gdyż bazuje na ich własnościach optycznych. Teoretycznie można więc i odwrotnie – zamiast zadymienia mierzyć stężenie masowe cząstek stałych, czyli ich masę [mg] przypadającą na jeden [m³] spalin. W praktyce kilka czołowych firm opracowało urządzenia (rys. 2) działające na tej właśnie zasadzie, w cenie akceptowalnej dla serwisów. Ich laboratoryjne odpowiedniki są bardzo drogie.

Rys. 2. Maha MPM-4M – miernik stężenia cząstek stałych w spalinach

Do pomiaru zadymienia spalin powszechnie jest wykorzystywany tzw. cykl swobodnego przyspieszania. Wbrew częstym opiniom nie jest on niebezpieczny dla silnika pod warunkiem prawidłowego wykonania. Kolejny wykres (rys. 3) przedstawia wartości stężenia masowego cząstek stałych i zadymienia spalin, mierzonego dymomierzem I generacji. Wnioski potwierdzają poprzednio udowodnioną tezę, iż dymomierz I generacji nie nadaje się do pomiaru zadymienia spalin emitowanych przez silniki z filtrami cząstek stałych. Czy zatem rozwiązaniem problemu jest pomiar stężenia masowego cząstek stałych?

Rys. 3. Pomiar stężenia cząstek stałych i zadymienia spalin powszechnie obecnie używanym dymomierzem I generacji w trzech pomiarowych cyklach swobodnego przyspieszania obowiązujących w naszych stacjach kontroli pojazdów

Mimo, że urządzenia są już gotowe od chyba 7 lub więcej lat, to nie zyskały dotychczas uznania w Europie. Stężenie masowe cząstek stałych mierzy się jednak np. podczas okresowych badań ciężarówek w Australii. Europejscy producenci samochodów stawiają natomiast na diagnostykę pokładową. Ja na podstawie studiów literatury i własnej wiedzy o systemach diagnostyki pokładowej stwierdzam, że mimo zaawansowanego rozwoju systemy diagnostyki pokładowej nie są jeszcze (i długo nie będą) w stanie zastąpić bezpośredniej oceny spalin silnika ZS. Mogą natomiast dobrze ją uzupełniać, tworząc spójny system oparty na dwu różnych metodach diagnostycznych.

Rys. 4. Korelacja pomiędzy zadymieniem spalin a stężeniem masowym cząstek stałych

Pojawiło się również inne rozwiązanie w postaci tzw. dymomierzy II generacji (rys. 5 i 6), które potrafią mierzyć bardzo małe zadymienia korelujące przy dobrej jakości pomiarów ze stężeniami masowymi cząstek stałych (rys. 4).

Dopuszczalne zadymienie spalin

Obecnie w Europie i w Polsce jego wartość dla pojazdów wyprodukowanych po 30.06.2008 r. wynosi 1,5 m^-1. W zestawieniu z danymi przedstawionych tu wykresów (rys. 1 i 3) jest to wartość zdecydowanie za wysoka.

Rys. 5. Maha MET 6.2 – dymomierz II generacji

Według dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/45/UE z dnia 3 kwietnia 2014 r. w sprawie okresowych badań zdatności do ruchu drogowego pojazdów silnikowych i ich przyczep, wartość zadymienia spalin dla samochodów spełniających wymagania normy Euro 6 będzie wynosić 0,7 m^-1. Polska powinna ją implementować do 20 maja 2017 r., a od 20 maja 2018 r. ma obowiązywać jej krajowy odpowiednik.

6. Rys. 6. BEA 080 – dymomierz II generacji firmy Bosch

Dyskutuje się jeszcze inne przyszłościowe rozwiązanie. Otóż na tabliczce znamionowej każdego samochodu z silnikiem ZS jest podana wartość zadymienia spalin, zmierzona w ramach badań homologacyjnych (rys. 7 i 8). Pojawiła się więc propozycja, aby dopuszczalną wartość zadymienia ustalać indywidualnie dla danego samochodu przez powiększenie liczby podanej na tabliczce znamionowej samochodu o np. 0,5 m^-1.

Rys. 7–8. Z lewej: informacja o wartości zadymienia spalin zmierzonej w ramach badań homologacyjnych wg normy Euro 5 dla nowego samochodu marki Volkswagen Tiguan 2,0 TDI o mocy 140 KM z roku 2014 r.

Z prawej: informacja o wartości zadymienia spalin, zmierzonej w ramach badań homologacyjnych wg normy Euro 6 dla nowego samochodu marki Volkswagen Passat Variant 2,0 TDI o mocy 150 KM z roku 2014 (model wprowadzony do sprzedaży jesienią 2014 r.)

Co za tym przemawia? Dla samochodu Tiguan z 2014 r., homologowanego wg normy Euro 5, zmierzona wartość zadymienia wynosi 0,5 m^-1 (rys. 7), a jego obecny limit to aż 1,5 m^-1. Dla najnowszego modelu VW Passat Variant homologowanego wg normy Euro 6 zmierzona wartość zadymienia wynosi 0,2 m^-1 (rys. 8), a jego limit to 0,7m^-1. VW Tiguan, przy limicie zadymienia spalin 1,5 m^-1, po usunięciu filtra cząstek stałych, "przejdzie" pozytywnie okresowe badanie techniczne, natomiast przy indywidualnym limicie 1,0 m^-1 (0,5 z tabliczki + 0,5) będzie to trudniejsze.

Podsumowanie

1. Trwały demontaż filtrów cząstek stałych z pojazdów jest nielegalny, ponieważ stanowi naruszenie warunków ich homologacji. To zabieg analogiczny do np. zdemontowania tylnych hamulców w celu obniżenia koszów serwisowania. Tak samo nielegalna jest dezaktywacja lub zamknięcie zaworów recyrkulacji spalin albo demontaż konwerterów katalitycznych, odłączanie jakichkolwiek czujników bądź zmiany w oprogramowaniu sterującym lub diagnostycznym silnika.

2. Aktualne wyposażenie pomiarowe krajowych stacji kontroli pojazdu, ich europejskich odpowiedników i europejskiej policji (naszej też) nie pozwala na wykrycie braku montowanego fabrycznie filtra cząstek stałych ani jego uszkodzenia za pomocą samego pomiaru zadymienia spalin. Wyjątkiem są sytuacje, w których brak filtra cząstek stałych powoduje świecenie kontrolki informującej o uszkodzeniu układu sterowania silnikiem (kontrolka MIL), ponieważ jest to podstawą do zatrzymania dowodu rejestracyjnego. W serwisach zakres możliwości skutecznej kontroli jest szerszy.

3. Od 1 lutego 2014 r. w Wielkiej Brytanii wprowadzono kary za brak filtra cząstek stałych w wysokości 1000 funtów w przypadku samochodu osobowego i 2500 funtów od dostawczego. W praktyce stosowana "na wyspach" archaiczna procedura pomiaru zadymienia spalin uniemożliwia wykrycie tego braku.

4. Pracownicy firm demontujących filtry cząstek stałych wprowadzają w błąd swych klientów, twierdząc, że zabieg ten nie jest sprzeczny z prawem, gdyż samochód nadal będzie odpowiadał kryteriom technicznym obowiązującym na stacji kontroli pojazdów. Ukrywają jednak fakt (lub sami tego nie wiedzą), że samochód z usuniętym filtrem nie spełnia wymagań homologacyjnych, więc nie powinien poruszać się po drogach.

5. W prawodawstwie dotyczącym homologacji powinien być jednoznaczny zapis o zakazie jakichkolwiek zmian w układach odpowiedzialnych za emisję szkodliwych składników spalin oraz w sterujących i diagnostycznych programach silników. Wyjątek mogą stanowić zmiany potwierdzone badaniem homologacyjnym.

6. Zdolni, dysponujący dużą wiedzą pracownicy dobrze wyposażonych serwisów powinni zajmować się naprawianiem samochodów, a nie ich psuciem.

Tweet

Stefan Myszkowski
Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne